D8 VENTURE SC-XRD | 錢(qián)幣篇

 

  今天我們再用D8 VENTURE單晶衍射儀不務(wù)正業(yè)一次。很遺憾這次我解不出結構了。隨著(zhù)移動(dòng)支付的發(fā)展，包里的現金就幾乎沒(méi)動(dòng)過(guò)，更別說(shuō)硬幣了。對我而言，現在硬幣大的用途就是變成了在超市門(mén)口獲取購物車(chē)?？稍趦簳r(shí)，5分錢(qián)的硬幣可都是一筆可觀(guān)的財富。如果有特別古老年份的硬幣，還得像寶貝一樣保存著(zhù)，然而終還是沒(méi)有留下。童年時(shí)有個(gè)夢(mèng)想，就是收集各個(gè)國家的硬幣。而如今，人生遠大的理想還遙遙無(wú)期，這個(gè)小夢(mèng)想倒是實(shí)現了。這幾年偶爾的出差，倒是攢下了不少硬幣，然而要么放在那里，要么被孩子拿去當玩具，也沒(méi)有發(fā)揮什么作用。

 

  近在考慮用單晶衍射儀做一些XRD的實(shí)驗，望著(zhù)書(shū)桌上散落的幾個(gè)硬幣，腦海中冒出一個(gè)問(wèn)題，單晶衍射儀能不能分析下這些硬幣的材料組成，鑒定下真偽？但是很快，這個(gè)想法就破滅了，常規衍射儀的X射線(xiàn)壓根無(wú)法穿透表面的鍍層。于是這個(gè)問(wèn)題就切換為，單晶衍射儀能否分析這些鍍層的組成？這個(gè)問(wèn)題應該不大，只是實(shí)驗設計的問(wèn)題。

 

 

  很明顯，在普通單晶透射測樣的模式下，每個(gè)硬幣都會(huì )像beamstop一樣，擋住所有的直射光，即便是打到邊緣，也會(huì )導致圖譜缺失一半。所以首先我們要解決的問(wèn)題是，如何把單晶衍射儀從透射模式切換為反射模式。很多硬幣都是鋼芯，所以很容易使用磁底座，平放固定在測角頭上。一般粉末XRD的BB幾何是立式測角儀，而單晶衍射儀是臥式測角儀。所以同樣水平放置樣品，單晶衍射儀沒(méi)有辦法進(jìn)行實(shí)驗。

 

 ▲圖1 XRD BB幾何

 

  當然這*難不倒D8 VENTURE強大的Kappa測角儀。通過(guò)設置參數，我們很容易將測角儀轉到Chi=90°的位置。此時(shí)樣品平面和光源、探測器的相對關(guān)系就和粉末XRD無(wú)異了。然而這帶來(lái)另外一個(gè)問(wèn)題，硬幣比較大，狹小的樣品臺空間會(huì )碰到beamstop。當然這個(gè)問(wèn)題可以用準直管和beamstop來(lái)解決。不過(guò)略加分析就會(huì )發(fā)現，在反射模式下，beamstop并不會(huì )起到任何作用，樣品本身就已經(jīng)是beamstop了。D8 VENTURE beamstop和準直管都采用的是*的磁吸和芯片識別設計，所以可以非常方便的切換。在這里我們去掉beamstop使用dummy來(lái)代替，這樣就有了足夠大的空間。此時(shí)的反射模式幾何，就一目了然了。

 

 ▲圖2：?jiǎn)尉а苌鋬x的反射模式設置

 

  與大多數XRD的配置不同，我們的光源是固定不動(dòng)的。我們能進(jìn)行的只有樣品的ω角的轉動(dòng)和探測器2θ角的轉動(dòng)。這些對我們這個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗目的已經(jīng)*足夠。我們可以設置幾個(gè)不同的角度來(lái)模擬BB幾何，使得2θ=2ω。也就是XRD中的θ-2θ模式。比如omega=6,12,18,24和30度，2θ=12,24,36,48和60度。OK，在設計好實(shí)驗之后，我們就可以開(kāi)始真正的樣品測量了。

 

實(shí)驗1: 5分歐元 VS 5角荷花人民幣

 

 ▲圖3  實(shí)驗一材料

 

  宣傳材料中兩者均為鋼芯鍍銅。然而外觀(guān)看起來(lái)卻是顏色不同。這種顏色肯定不是涂上去的，而是鍍層本身的顏色。在設計好實(shí)驗參數之后，很快我們就得到了兩種不同的XRD圖譜，如圖4所示。

 

 ▲圖4：5分歐元和5角人民幣表面鍍層的XRD圖譜

 

  從圖4可以看出，這兩種硬幣的XRD圖譜很類(lèi)似，但在2theta角度方向上出現一定的平移，即鍍層的衍射峰在不同的角度出現，這說(shuō)明兩種硬幣表面鍍層的物相組成是不一樣的。利用DIFFRAC.EVA軟件對上述圖譜進(jìn)行物相定性分析后可知，5分歐元表面鍍的是銅，而5角人民幣鍍的是銅鋅合金。

 

實(shí)驗2：10分新加坡元 VS 10美分 VS 1角人民幣

 

  ▲圖5  實(shí)驗2材料

 

  圖6給出了這3種硬幣表面鍍層的XRD圖譜，可以看出，即便是外表看起來(lái)類(lèi)似的鍍層，其XRD測試結果也不一樣，即鍍層物相組成也大不相同。至于這3種硬幣鍍層的成分就賣(mài)個(gè)關(guān)子，大家自己去驗證吧（其它硬幣也均有若干數據，如有需要可聯(lián)系作者）。

 

 ▲圖6：10分新加坡元、10美分和1角人民幣表面鍍層的XRD圖 

 

  以上利用D8 VENTURE單晶衍射儀對幾種常見(jiàn)的中外硬幣進(jìn)行了簡(jiǎn)單的XRD表面鍍層組成分析，很容易看出來(lái)，哪怕外表顏色很接近的硬幣，其表面鍍層的組成也是不一樣的。當然鑄幣牽涉到的晶體學(xué)遠不如此，比如從圖7所示的二維的衍射圖中就可以看到不同硬幣的鍍層衍射線(xiàn)強度出現不連續，即存在不同程度的織構。關(guān)于織構的問(wèn)題，這里就不深入討論了，感興趣的朋友們，可以聯(lián)系我們進(jìn)行進(jìn)一步的交流。

 

▲圖7：不同硬幣表面鍍層的二維XRD圖